Mars’ta Yenilenebilir Enerji

Faruk Akkuş / BTÜ Makine Müh. Öğrenci

Giriş

Uzayda yapılan ve yapılması planlanan insanlı veya insansız görevlerde karşılaşılan sorunlardan biri, belki de en önemlisi enerji problemidir. Mars ve keşfedilen diğer gezegenlerde özellikle çevre koşulları da dikkate alındığında geleneksel enerji kaynaklarının kullanılamaması bu enerji problemini çözmek için farklı alternatiflerin araştırılmasını ve değerlendirilmesini gerektirmektedir. Gelecekte Mars’a yapılan insanlı görevlerin artması ve bununla orantılı olarak maliyetlerinin düşürülmesi hedeflenmektedir. Ayrıca, alternatif bir gezegene duyulan gereksinimden dolayı yerleşik bir yaşam alanı kurulması planlanmaktadır. Mars’ta yerleşik bir yaşam alanı kurulmadan önce radyasyon, atmosfer, sıcaklık ve rüzgar gibi çevre koşullarının ve kullanılabilecek enerji kaynaklarının analiz edilmesi gerekmektedir. Mars’ta yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması sürdürülebilirlik açısından oldukça önemli ve gereklidir.

Mars Koşulları

Mars, Güneş Sistemi’nde yer alan dördüncü gezegendir. Adını Roma mitolojisindeki savaş tanrısı Mars’tan almıştır. Mars, yüzeyinde yaygın olarak bulunan ve pas adıyla bilinen demir oksitten (Fe₂O₃) dolayı kızılımsı bir görünüme sahiptir. Bundan dolayı Mars’a “Kızıl Gezegen” de denilmektedir. Phobos ve Deimos adında iki adet uydusu bulunmaktadır.

Mars’ın Güneş’e olan ortalama uzaklığı yaklaşık olarak 228 milyon km’dir. Yörünge periyodu 687 Dünya gününe eşittir. Mars gününe “sol” adı verilmektedir ve bir sol 24 saat 39 dakika 35,24 saniyedir. Bir Mars yılı, Dünya zaman birimiyle 1 yıl 320 gün 18,2 saattir. Eksen eğikliği 25,19 derecedir ve bu eğiklik Dünya’dakine benzer mevsimlerin oluşmasını sağlamaktadır. Mars’ın ortalama çapı 6.779 km olup Dünya’nın ortalama çapının yaklaşık olarak yarısıdır. Ortalama yoğunluğu 3,93 g/cm³ ve kütlesi 6,42×10²³ kg’dır. Yüzeyindeki kütle çekim ivmesi 3,72 m/s² olup Dünya’nın yer çekiminin yaklaşık olarak üçte biridir¹.

Mars’taki Olympus Mons dağı yaklaşık 26 km yüksekliğe sahip olup Güneş Sistemi’nde bilinen en yüksek volkandır. Valles Marineris adı verilen kanyon ise 4.000 km’den fazla genişliğe ve 5 ile 10 km arasında değişen derinliğe sahip olup Güneş Sistemi’nde bilinen en büyük kanyondur².

Radyasyon

Mars atmosferi düşük bir yoğunluğa sahip olması nedeniyle radyasyon çok az perdelenerek gezegenin yüzeyine ulaşabilmekte ve Mars bundan ciddi olarak etkilenmektedir³. Galaktik kozmik ışınlar derin uzayda çarpışma veya patlama yoluyla meydana gelen yüksek enerjili parçacıklardır. Güneş, bu yüksek enerjili parçacıkların diğer bir temel kaynağıdır². Güneş’ten gelen yüksek enerjili parçacıkların büyük bir bölümü, Güneş püskürtüleri ve taçküre kütle atımları sırasında meydana gelen yüksek enerjili protonlardan oluşmaktadır⁴. Dünya’nın manyetik alanı (0,5×10^-3 Tesla) ve atmosferi, galaktik kozmik ışınlara ve yüksek enerjili parçacıklara karşı etkili bir kalkandır. Mars’ın tamamını kapsayan bir manyetik alan keşfedilmemiş olup çeşitli bölgelerde çok eski dönemlerden kalma manyetik alanlar (ortalama 17×10^-6 Tesla) tespit edilmiştir. Bununla birlikte Mars’ın ince bir atmosfere sahip olduğu da göz önünde bulundurulduğunda, Mars’a yapılacak olan insanlı veya insansız görevlerde veya olası yerleşim planlarında, radyasyonun neden olabileceği sorunlara karşı güvenlik tedbirlerinin alınması gerekmektedir².

Curiosity yüzey aracının Aralık 2011-Temmuz 2012 tarihleri arasında Radyasyon Değerlendirme Dedektörü (RAD) ile tespit etmiş olduğu doğal radyasyon seviyesi Şekil 1’de gösterilmiştir. 2012 yılının Şubat, Mart ve Mayıs aylarında radyasyon seviyelerinde yüksek artışlar görülmektedir. Bu artışlar, Güneş’ten gelen yüksek enerjili parçacıklardan kaynaklanmaktadır. Mars’a yolculuk süresince karşılaşılacak radyasyon seviyesinin bilinmesi, Mars’a yapılacak olan insanlı veya insansız görevler için oldukça önemlidir².

Curiosity’nin Mars’a Ağustos 2012 tarihli inişinden sonraki ilk 10 ay içerisinde ölçülmüş  radyasyon seviyesi Şekil 2’de gösterilmiştir. Galaktik kozmik ışınların da radyasyon dozuna katkısı olduğu için mikrogray (1 gray, bir kilogram maddeye bir joule enerji transferidir) miktarı 210 birim fazla çıkmaktadır. Mars atmosferi ince olduğu için radyasyona karşı tam bir kalkan görevi gösterememektedir. Bundan dolayı gece ve gündüz ölçülen radyasyon değerleri arasında farklılıklar görülmektedir. Radyasyon değerlerinde meydana gelen ani düşüşler “Forbush” olarak isimlendirilmektedir. Şekil 2’de yer alan 50, 97, 208 ve 259. Mars günlerinde bahsedilen ani düşüşler görülebilmektedir. Güneş’teki koronal kütle atımları bir manyetik alan oluşturmakta ve bundan dolayı galaktik kozmik ışın parçacıkları azalmaktadır. Oluşan manyetik alan kozmik ışın parçacıklarını gezegenden uzaklaştırmaktadır. 200 Mars günü boyunca radyasyon seviyesinde meydana gelen genel yükseliş ve düşüşler, Mars’ın mevsimsel etkilerinden kaynaklanmaktadır².

Atmosfer

Mars bir manyetosfere sahip olmadığı için Güneş rüzgârları gezegenin iyonosfer tabakası ile doğrudan etkileşime girmektedir ve bu durum Mars atmosferinin ince bir halde kalmasına neden olmaktadır. Gezegen yüzeyindeki atmosfer basıncı, gezegenin en yüksek noktasında ölçülen 30 Pa ile en derin noktasında ölçülen 1155 Pa arasında değişmekte olup ortalama yüzey basıncı 600 Pa’dır¹. Eğer Mars yüzey araçlarının istikrarlı bir şekilde çalışabilmesi veya enerji santrali kurulması gibi hedefler varsa, iklimle doğrudan ilişkili olan yüzey ortalama basınç değerlerinin çeşitli araçlardan elde edilen verilerle incelenmesi gerekmektedir. (Şekil 3).

Curiosity yüzey aracı atmosfer basıncının yıl içerisinde minimum seviyeye düştüğü zamanda iniş yapmış ve Şekil 3’te yer alan grafik atmosfer basıncının maksimum seviyeye ulaştığı zamanlarda oluşturulmuştur. Dünya’da deniz seviyesi atmosfer basıncının yaklaşık 100.000 paskal olduğu dikkate alınırsa Mars’ta bu değer güneş boylamına göre 600-1000 paskal arasında değişir. Eğrinin başlangıcında yer alan ölçümler Mars’ın Güney Yarım Küresi’nde, kış aylarının sonlarına doğru yapılmıştır. Eğrinin sonunda yer alan ölçümler ise Mars’ın Güney Yarım Küre’sinde, bahar aylarının sonlarına doğru yapılmıştır. Grafikteki artışlar, Mars’ın Güney Yarım Küresi’nde bahar ayları boyunca devam eden atmosferdeki kütle artışı hakkında bilgi vermektedir. Atmosferdeki bu kütle artışı, kutup bölgelerinin daha fazla güneş ışığı almasından ve Güney Kutbu’ndaki karbondioksitten oluşan buz tabakasının buharlaşmasından kaynaklanmaktadır. Bundan dolayı Mars atmosferi her yıl %30 oranında büyüyüp küçülmektedir. Basıncın düşmeye başlamasıyla birlikte karbondioksit atmosferde donarak kışın Kuzey Kutbu’ndaki buz tabakalarının formunu oluşturmaktadır².

Mars atmosferi; yaklaşık %96 karbondioksit, %1,9 argon, %1,9 azot ve %0,2 oksijenden oluşmaktadır. Mars tozları küçük (1,2-1,6 μm)⁷ ve hafif oldukları için çok hafif bir rüzgâr yardımıyla bile atmosfere dağılmaktadır. Bundan dolayı Mars atmosferi kahverengi (kızıl) görünmektedir (Şekil 4).

Şekil 4. Kızıl gezegen Mars’ın kahverengi atmosferi⁸.

Sıcaklık

Mars’ta ortalama sıcaklık -63 °C olup en soğuk kış aylarında sıcaklık -140 °C’ye düşebilmekte ve en sıcak yaz gününde sıcaklık 27 °C’ye çıkabilmektedir³. Mars’ın ince atmosferinin Güneş ısısını yeterince depolayamaması, atmosfer basıncının ve toprağın ısı kapasitesinin düşük olması gezegendeki sıcaklık farklarının büyük olmasına neden olmaktadır⁹.

Curiosity yüzey aracının Mars’a iniş yaptığı gün sıfırıncı Mars günü olarak kabul edildiğinde ölçülen en yüksek hava sıcaklığı 0 °C ve en düşük hava sıcaklığı -70 °C’dir (Şekil 5). Şekil 5a’da, REMS (Yüzey Aracının Çevreyi İzleme İstasyonu) ile ölçülen hava sıcaklıklarının maksimum ve minimum değerlerine yer verilmiştir. Şekil 5b’de ise REMS ile ölçülen zemin sıcaklıklarının maksimum ve minimum değerlerine yer verilmiştir².

Jezero Krateri’ndeki Perseverance aracının aldığı ölçümlere göre de bir gün içinde Mars zemin sıcaklığı yaklaşık 90 ^oC’ye kadar değişiklik göstermektedir (Şekil 6)¹⁰.

Buna karşın Mars Orbiter Kamera (MOC) verilerine göre yıllık mevsim değişikliklerine bakıldığında Mars’taki hava durumunun Dünya’ya kıyasla daha tekrarlanabilir ve dolayısıyla daha öngörülebilir olduğunu göstermektedir. Mevcut veriler Mars için, yıl içerisinde belirli bir zamanda meydana gelen bir hava olayının, bir sonraki yıl neredeyse aynı yerde ve aynı zaman dilimi içerisinde tekrarlanmasının oldukça muhtemel olduğunu göstermektedir⁹.

Rüzgarlar

Mars’ın ince atmosferine rağmen, gezegende rüzgârlar meydana gelmektedir. Bu rüzgarlar bazen yüksek hızlara ulaşabilmekte ve yüzey tozunu çok yükseğe çıkarabilecek kadar güçlü olabilmektedir. Mars’ta rüzgarların meydana gelmesinin temel nedeni, yüzeyindeki yüksek dağlar, vadi ve çukurlardaki basınç ve sıcaklık farklarının neden olduğu süblimasyon ile atmosferin ana bileşeni olan karbondioksitin yoğunlaşmasıdır³. Perseverance gezgini tarafından toplanan verilere göre rüzgar hızları, öğleden sonra ~7 m/s maksimum değerlerde ve 4.00 ile 6.00 arasında sıfıra yakın bir günlük döngü gösterir (Şekil 7). Gün ortasında bazen maksimum 25 m/s hızlarda şiddetli rüzgarlar da tespit edilmiştir¹⁰.

Mars, Güneş Sistemi’ndeki en büyük toz fırtınalarının meydana geldiği gezegendir¹. Kuvvetli rüzgarlar, çok uzun menzillere ulaşabilmekte ve bu tüm gezegeni kaplayan toz fırtınalarına dönüşebilmektedir³. Şekil 8’de Akadalia bölgesinde gerçekleşen bir dizi toz fırtınasının konumları verilmiştir. Her nokta bir toz fırtınası olayını temsil eder ve fırtınanın etki alanın büyüklüğü renk kartelası ile belirtilmiştir¹¹.

Mars’ta, 2007 yılının ortalarında başlayan ve tüm gezegeni kaplayan bir toz fırtınası, güneş panelleri tarafından sağlanan enerji miktarının azalmasına ve çoğu bilimsel deneyin durdurulmasına neden olmuştur. Bu durum, güneş enerjisiyle çalışan ve fırtınanın bitmesini bekleyen Spirit ve Opportunity yüzey araçları için ciddi bir tehdit oluşturmuştur. Toz fırtınası bittikten sonra, yüzey araçlarının gücü önemli ölçüde azalmıştır. Ayrıca 2018 yılının Mayıs ayında büyük bir toz fırtınası başlamış, yaklaşık 2 ay sürmüş ve tüm gezegeni kaplamıştır⁹.

Mars’ta Enerji

Mars, Güneş Sistemi’ndeki erişilebilir gezegenler arasında benzersizdir çünkü insanların hayatta kalabilmesi için ihtiyaç duyacakları birçok hammaddeyi bulunduran bir potansiyele sahiptir. Mars’a yapılacak olan insanlı bir görevin birincil hedefi, gezegen jeofiziğinin incelenmesi ve Mars’taki organik maddelerin veya suyun varlığının araştırılması olacaktır. Böyle bir görevde, nakliye maliyetlerinin en aza indirilmesi ve Dünya ile olan bağlantının geçici olarak kesilmesi durumunda herhangi bir sorun ile karşılaşılmaması için uzay aracına sağlanan enerjinin yeterli olması oldukça önemlidir. İnsanlı bir Mars görevinde kullanılacak olan enerji sistemi birkaç gereksinimi karşılamalıdır. Bu gereksinimleri temel olarak şu şekilde sıralayabiliriz:

• Mürettebat için güvenilir olmalıdır.
• Yedeği olmalıdır.
• Mars ortamına zarar vermemelidir.
• Uzay yolculuğu sırasında düşük sıcaklıklardan ve Mars atmosferinden en az derecede etkilenmelidir.
• Ulaşım maliyetlerini en aza indirmek için kilogram başına üretilen güç değeri en üst seviyeye çıkarılmalıdır.
• Bilimsel araçlara ve mürettebatın yaşam alanına yer kalması için aracın boyutu en aza indirilmelidir¹².

Mars’ta yaşam alanı kurulması için özellikle nükleer enerjinin yanında sürdürülebilirlik açısından Mars’ta yenilenebilir enerjiye gereksinim de kaçınılmazdır. Mars yüzeyine yapılan görevler sonucunda güneş panellerinin uygulanabilirliği kanıtlanmıştır. Rüzgar enerjisi; az yer kaplayan, ucuz ve sera gazı içermeyen alternatif bir yenilenebilir enerji kaynağıdır ve düşük-orta hızlarda çalışan türbinler ön plana çıkacaktır¹³. Diğer bir alternatif yenilenebilir enerji kaynağı ise jeotermal enerjidir. Mars’taki ısı akışının teorik modelleri, gezegende jeotermal sıcak noktaların var olup olmadığına karar vermek için yeterli değildir. Jeomorfolojik kanıtlar, volkanik aktivitenin azalan bir oranda da olsa yakın zamana kadar devam ettiğini göstermektedir. Bu durum, Mars’ta jeotermal sıcak noktaların varlığını destekliyor olabilir. Yalnızca Mars’ta yapılacak olan kapsamlı bir araştırma, gezegenin gerçek jeotermal potansiyelini ortaya çıkaracaktır¹³.

Yüksek miktarlarda enerji çıkışları nedeniyle tercih edilebilir nükleer enerjinin tehlikeli atıklarının Mars ortamından güvenli bir şekilde uzaklaştırılması önemlidir. Bir nükleer santralin tüm gerekli güvenlik önlemleri ile birlikte Dünya’dan Mars’a nakliye maliyeti, diğer enerji sistemlerinin maliyeti ile karşılaştırıldığında oldukça yüksektir¹². Yenilenemez bir enerji kaynağı olan nükleer enerjinin üretilebilmesi için gerekli olan nükleer yakıtın, Dünya’dan Mars’a taşınması çok risklidir. Diğer bir yenilenemez enerji kaynağı olan fosil yakıtların, Mars’ta bulunma ihtimali çok düşük olmakla birlikte uzay araçlarıyla taşınması da mümkün değildir¹⁴.

Güneş enerjisi

Güneş enerjisi; Uluslararası Uzay İstasyonu gibi büyük yapıların işletilmesinde ve Güneş Sistemi keşiflerinde küçük uydulara önemli bir enerji kaynağı olmuştur. Şu anda Mars’ta faaliyet gösteren NASA’nın Mars Bilim Laboratuvarı (MSL) misyonundaki Curiosity yüzey aracına, bir Radyoizotop Termoelektrik Jeneratör (RTG) güç sağlamaktadır. Perseverance ise güç kaynağı olarak Çok Görevli Radyoizotop Termoelektrik Jeneratör (MMRTG) kullanmaktadır. Güneş radyasyonun yoğunluğu, Güneş’e olan uzaklığın karesiyle azaldığı için güneş enerjisi karmaşık bir uzay aracına güç sağlamak için uygun olmayabilir. Dünya’nın (güneşe uzaklığı ~150 milyon km) ortalama ışık şiddeti yaklaşık olarak 1.360 W/m² iken Mars’ta (güneşe uzaklığı 228 milyon km) bu değer güneşe daha uzak olmasından dolayı 600 W/m² ye kadar düşer. Bu değer Mars’ta mükemmel bir güneş panelinin çekebileceği radyasyonun üst sınırıdır. Mars Gale Krateri’nde güneş pilleri tarafından dönüştürülebilen yüzeye ulaşan ışık şiddeti en fazla 210 W/m² değerindedir (Şekil 9)¹⁴.

Curiosity’deki Yüzey Aracı Çevre İzleme İstasyonu (REMS) cihazı, tüm sensörler ölçüm yaparken (ısıtma dahil) 10,08 W güç tüketmektedir. Hesaplamalara göre, 2,5 m çapında rotorlu bir rüzgar türbini, 5 m/s sabit rüzgar hızı ile 11 W sağlayabilmektedir. 2,5 m çapında rotorlu bir rüzgar türbininin, kurulumu zor ve bakımı son derece karmaşıktır. Bu gücü güneş enerjisi ile üretebilmek için, 12,7 W sağlayabilen bir pil ve 0,30 m uzunluğunda kare düz bir panel gereklidir¹⁴.

RTG’lerin güneş panellerine kıyasla bazı dezavantajları bulunmaktadır. Güneş panelleri güvenli ve kolay temin edilebilen malzemeler ile üretilebilirken, RTG’ler güvenli bir şekilde kullanılması zor, sınırlı ve yüksek seviyede düzenlenmiş olan yakıtlar ile üretilmektedir. Sojourner, Spirit, Opportunity ve Zhurong Mars yüzey araçları, güneş panellerini kullanarak elektrik enerjisi üretmiştir.

Mars’ta güneş enerjisi kullanmanın bazı zorlukları da bulunmaktadır. Güneş enerjisiyle çalışan bir araç, güneş panelleri üzerinde toz birikmesinden dolayı zamanla verimliliğini kaybedebilir. Bundan dolayı aracın, güneş panelleri üzerinde biriken tozu temizleyen özel bir toz temizleme teknolojisi içermesi gerekmektedir. Mars’ta tüm gezegeni kaplayan toz fırtınalarının meydana gelmesi, güneş enerjisiyle çalışan araçlar için oldukça büyük bir tehdittir. Bölgesel ve küresel toz fırtınaları, yüzeye ulaşan güneş ışığı miktarını önemli ölçüde azaltabilmektedir³.

Fotovoltaik teknolojisinin sadeliği ve gelişmişliği bu teknolojiyi özellikle Mars görevleri için uygun bir enerji kaynağı yapmaktadır.

Rüzgar enerjisi

Mars’a yapılacak görevlerde, güç üretimindeki sınırlamaların giderilmesi gerekir. Gelecekte Mars’ın kutup bölgelerine yapılacak olan görevlerde, standart güç kaynaklarının kullanılması uygun olmayacaktır. Güneş pilleri ortalama Mars yılının yarısında sınırlı bir güneş ışığı alabilecektir. Ayrıca güneş ışığı almadığı yılların da olması muhtemeldir.

MMRTG veya benzer nükleer enerji cihazlarının üretmiş olduğu ısı, kutup bölgelerinde yapılacak olan herhangi bir bilimsel çalışmaya zarar verebilir. Bu görevlerde, güneş panelleriyle üretilen elektriği depolayan bir batarya ile birlikte bir rüzgar türbini kullanılabilir. Mars’ta rüzgar türbinlerinin kullanılması, Mars’a yapılacak olan insanlı görevler de düşünülerek, teorik olarak incelenmiştir. Antarktika’da Mars benzeri bir alan belirlenmiş ve bu alanda 100 kW’lık bir rüzgar türbini test edilmiştir. Türbinlerin 5 metre yarıçapından büyük ve 100 kilogramdan ağır olması nedeniyle 10 m/s ve üstü rüzgar hızlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Türbinlerin, Mars’a yapılacak olan bilim görevlerinde güç kaynağı olarak kullanılabilmesi için boyutları ve kütleleri uygun değildir. Ayrıca, Mars’taki rüzgar hızlarının 2-10 m/s aralığında değişmesi nedeniyle rüzgar türbinlerinin her zaman güç sağlaması mümkün değildir. Mars’ta rüzgar enerjisinden elektrik üretiminin ancak düzenli rüzgarların olduğu dönemler mümkün olabileceği gösterilmiştir³.

18 m çapında rotora ve 30 m göbek yüksekliğine sahip 100 kW’lık varsayımsal bir rüzgar türbininin güç eğrisi Şekil 10’da yer alan grafikte gösterilmiştir. Mars yüzeyinden 30 m yükseklikteki rüzgar hızları, 20 m/s’lik değerlere sahip olabilmekte ve bu değerler yüzeydeki rüzgar hızlarından daha yüksek olmaktadır (Şekil 10). Rüzgar türbini ile Dünya’da bu tip bir santralden 2.200 kW güç üretilebilirken, aynı tür rüzgar türbini ile Mars’ta 35 kW’tan daha az bir güç üretilebilecektir. Ayrıca, 30 m yükseklikte Mars atmosfer yoğunluğunun daha düşük olması üretilen bu gücü azaltacaktır.

Rüzgar, Mars atmosferinin düşük bir yoğunluğa (ρ = 0,02 kg/m³) sahip olması nedeniyle türbini yeterince güçlü bir şekilde hareket ettiremez. Dünya için bu yoğunluk değeri  1,225’tir yani Dünya’daki bir rüzgar türbininden elde edilecek güç değeri için Mars’ta 60 adet kurulması gerekecektir. Rüzgar türbinleri, rüzgar hızının ve yoğunluğun arttığı toz fırtınaları sırasında fazla güç sağlayabilir. Ancak bu toz fırtınaları, bir uzay aracına veya yerleşim alanına sürekli güç sağlayabilecek kadar sık oluşmamaktadır. Ayrıca, toz fırtınaları rüzgar türbinlerine de zarar verebilecek güçte oluşabilmektedir.

Mars atmosferinin düşük yoğunluğu ve düşük rüzgar hızları nedeniyle rüzgar enerjisi, Mars’ta kullanılması uygun olmayan bir güç kaynağı haline gelmektedir. Mars’ta uzay araçlarına veya yaşam alanlarına yeterli gücü sağlayabilecek rüzgar türbinleri, günümüz roket teknolojisinde olmayan bir ulaşım kabiliyeti gerektirmektedir. Ayrıca, Mars’taki klor veya diğer elementler rüzgar türbinlerine zarar verebileceğinden dolayı parçalar, toza ve korozyona karşı dayanıklı malzemeler ile üretilmelidir¹⁵.

Jeotermal enerji

Jeotermal akışkanlar bulundukları konumlara bağlı olarak farklı sıcaklık ve akış hızlarına sahip olabilirler. Kaynaklar, 30-120 °C arasında bir sıcaklığa sahip ise “düşük entalpili kaynak”, daha yüksek bir sıcaklığa sahip ise “yüksek entalpili kaynak” olarak sınıflandırılmaktadır. Düşük entalpili kaynak, duyulur ısının geri kazanılabileceği ılık sular sağlarken yüksek entalpili kaynak; basınçlı sıcak su, iki fazlı karışımlar veya gizli ısı veren buhar sağlamaktadır. Çözünmüş katı madde veya yoğunlaşmayan gaz istenmeyen akışkan özellikleridir ve bu ekipmanlarda korozyona neden olur. Bu nedenle, ideal ısının geri kazanımı için çeşitli üretim teknolojileri ve kullanım stratejileri gerekmektedir.

Jeotermal akışkanlardan güç, ya ısının doğrudan kullanılmasıyla ya da ısının elektriğe dolaylı olarak dönüştürülmesiyle elde edilmektedir. Mars’ın soğuk olması nedeniyle, yalnızca doğrudan kullanılabilen düşük entalpili kaynaklar doğal olarak daha kullanışlıdır. Ayrıca, şu anda Mars’ta kurulmuş olan herhangi bir yaşam alanı olmadığı için doğrudan ısı uygulamaları kısıtlayıcı olabilir. Mars’ta kurulacak olan yaşam alanlarının, jeotermal kaynaklar da dahil olmak üzere gezegenin en zengin doğal kaynaklarına bitişik olarak kurulması gerekecektir.

Mars’ın jeotermal potansiyelinin keşfedilmesi için araştırmalara nereden başlanacağına dair ipuçları bulunmaktadır. Gezegen yüzeyinin yaklaşık %3’ü genç jeolojik yaşta olup volkanik veya akarsu kökenli gibi görünmektedir. Kızgın kuru kayalar, yüksek sıcaklığa sahip kayaçlar olup bu kayalar Mars’ın Elysium, Amazonis, Arcadia ve Tharsis bölgelerini kapsayan büyük bir alanda bulunmaktadır. Kızgın kuru kayalar, Mars’ın yalnızca bir çeyreğinde oluştuğu için genetik olarak gezegenin üst manto katmanı ile bağlantılı olabilirler. Bu nedenle, gezegen alanının yaklaşık dörtte biri büyüklüğünde olan bir alanın altındaki herhangi bir yerde, gizli volkanik sıcak noktaların keşfi için bir potansiyel bulunmaktadır. Geçmişte volkanik aktivite gösteren Olympus Mons volkanik bir dağdır. Bu tür volkanik bölgelerin civarı jeotermal enerji potansiyeline sahip olabilir.

Mars’a yerleşimin ilk adımlarında jeotermal enerjiyi kullanmak pratik olmayacaktır. Jeotermal alanlarda bulunan yaşam alanları, bazı yönlerden güneş enerjisine veya rüzgar enerjisine göre daha verimli ve güvenli olan bir enerji kaynağına sahip olabilir. Keşifleri ile beraber jeotermal kuyulardan sadece enerji sağlanmayacak, aynı zamanda sıcak veya soğuk su kaynağı da sağlanmış olacaktır¹³.

Nükleer enerji

Uzay görevlerinde güvenilir bir şekilde güç sağlayan teknolojiler olmasaydı, Güneş Sistemi hakkında şu an sahip olduğumuz bilgi birikimine sahip olamazdık. Günümüzde, uzayı keşfederken uzun vadeli bir enerji kaynağı olarak kullanılabilecek yalnızca iki pratik seçenek bulunmaktadır; güneş ışığı ve radyoizotop gibi nükleer bir kaynaktan gelen enerji. Güneş enerjisi, Dünya yörüngesindeki birçok uzay aracı için elektrik üretmenin mükemmel bir yoludur. Bir uzay görevi için güneş enerjisi ve nükleer enerji arasında seçim yapmak, uzay aracının nerede çalışması gerektiği ve oraya vardığı zaman görevin neyi başarması gerektiği ile ilgilidir.

Radyoizotop Güç Sistemleri (RPS), uzay aracı sistemlerine ve yüzey araçlarına elektrik gücü sağlayabilmek için ısı kullanan bir tür nükleer enerji teknolojisidir. Bu ısı, plütonyum-238’in doğal radyoaktif bozunması sonucunda açığa çıkmaktadır. RPS; güneş ışığı, sıcaklık, yüklü parçacık radyasyonu veya toz gibi yüzey koşullarındaki değişikliklerden büyük ölçüde etkilenmeyerek, uzun süreli uzay görevlerinde sürekli olarak güç sağlayabilmektedir. Ek olarak, bazı radyoizotop güç sistemleri tarafından üretilen ısının bir kısmı, uzay aracı aletlerinin ve yerleşik sistemlerin aşırı soğuk ortamlarda etkin bir şekilde çalışmaya devam edebilmesi için kullanılabilmektedir.

Birkaç radyoizotop, teorik olarak RPS için ısı kaynağı olarak kullanılabilir. Plütonyum-238 (plütonyum dioksit formunda), birkaç önemli nedenden dolayı seçilir:

1. Diğer izotoplarla karşılaştırıldığında, esas olarak alfa parçacığı radyasyonu (koruması daha kolaydır) ve az miktarda gama radyasyonu üretmektedir. Bundan dolayı diğer izotoplara kıyasla daha güvenlidir.
2. Düşük radyasyon salınımına sahip olduğundan insanlar, hayvanlar veya bitkiler tarafından kolayca emilmez. Diğer radyoaktif elementlerle karşılaştırıldığında daha güvenlidir.
3. Herhangi bir uzay görevi boyunca Plütonyum-238’in 88 yıllık kısa yarı ömrü nedeniyle güç çıkışında bir azalma beklenir, ancak bu azalma tahmin edilebilir ve yönetilebilir bir durumdadır.
4. Yüksek bir güç yoğunluğuna sahiptir. Bu nedenle küçük bir miktarı önemli miktarda ısı üretebilmektedir.
5. Uranyum-238’in nötronlarla bombardıman edilmesiyle kolayca üretilebilir.
6. Uzay aracı sistemleri üzerinde çok az ve kolayca azaltılan iyonlaştırıcı radyasyon etkilerine sahiptir.

RTG, plütonyum-238’in doğal radyoaktif bozunması sonucunda açığa çıkan ısıyı, farklı metaller içeren bir devre boyunca ısının uygulandığı “ısıl çift” adı verilen cihazları kullanarak elektriğe dönüştüren ve uzay görevlerinde kullanılan bir tür güç sistemidir. Isıl çiftler, termoelektrik etki yoluyla elektrik akımı üretmektedir. Bu işlemde hareketli parça bulunmamaktadır.

MMRTG, yılda %3,5-%4,5 arasında enerji kaybı ile 17 yıllık bir ömre sahiptir¹⁶. Bununla birlikte, son kırk yılda RPS kullanılan uzay görevlerinde, belirlenen çalışma süresi uzatılmış ve böylelikle yıllarca veya on yıllarca bilimsel veriler Dünya’ya iletilmiştir. MMRTG, hem uzayda hem de gezegen atmosferinde (Mars’ın yüzeyi gibi) çalışabilmektedir. Bu nedenle Çok Görevli Radyoizotop Termoelektrik Jeneratör olarak adlandırılmıştır (Şekil 11).

Güneş panellerinin RTG’lere kıyasla bazı dezavantajları bulunmaktadır. Kraterler gibi güneş ışığının seyrek olduğu alanlarda güneş enerjisi pratik bir enerji kaynağı olmamakla birlikte, Güneş’ten daha uzak mesafelere seyahat ettikçe görevler daha az pratik hale gelmektedir. Güneş ışığının yoğunluğunun azalması nedeniyle, güneş panelleri pratik olmayacak şekilde büyüyebilir ve potansiyel olarak uzay aracının manevra yapma yeteneğini engelleyebilir¹⁷.

Hidroelektrik, biyokütle ve hidrojen enerjisi

Evrende nerede olursak olalım yaşam için en öncelikli ihtiyaç sudur. Yenilenebilir enerji türlerinden hidroelektrik enerjisi suyun potansiyel enerjisini kullanması, hidrojen enerjisi ise su moleküllerinin hidrolizinden elde edilmesi ile suyla doğrudan ilişkilidir. Biyokütle enerjisi ve organik atıkların (hidrokarbon) fermantasyonu, pirolizi veya bazı termo-elektrokimyasal yöntemlerle hidrojen enerjisi elde edilmesi de dolaylı olarak su ile bağlantılıdır. Çünkü su olmadan canlı üreyemez, yaşayamaz ve de ölmez yani organik atık oluşamaz. Sonuçta hidroelektrik, biyokütle ve hidrojen enerjisinin temelinde su vardır.

Mars’ın kutup bölgelerindeki buzul alanlarının, yüzey araçları tarafından çekilen fotoğraflarda görülen erozyon ve su kanallarına benzer oluşumlar ile bazı kaya örneklerinde tespit edilen suyun kimyasal izleri veya suyun etkisiyle oluşan yapılar, geçmişte suyun varlığına ve gelecekteki keşif görevlerinde bulunma olasılığına dair güçlü kanıtlar sunmaktadır. Fakat halihazırda Mars’ta suyun var olduğuna dair net ve bilimsel bir kanıt bulunamamıştır. Bu yüzden su ile ilişkili Şekil 12’de diyagramı çizilmiş yenilenebilir enerji türlerinden hidroelektrik, biyokütle ve hidrojenden faydalanmak şimdilik olası değildir.

Sonuç

Uzay görevlerinde enerji, her zaman büyük bir problem olmuştur. Uzun yıllardır yapılan görevler ile gelişen teknoloji, farklı enerji kaynaklarının kullanılmasına olanak sağlamıştır. Günümüzde, uzay görevlerinde güneş enerjisi ve nükleer enerji kullanılmaktadır. Yenilenebilir enerji sistemleri, günümüz teknolojisi ile uzay koşullarında her zaman tek başına yeterli olmamaktadır. Bu durumda, yenilenebilir enerji sistemlerinin alternatifi olarak nükleer enerji sistemleri kullanılmaktadır.

Mars’ta kurulacak olan yerleşik bir yaşam alanında, Mars’ın çevre koşulları da göz önünde bulundurulduğunda güneş enerjisi ve nükleer enerji kullanılabilecek öncelikli enerji kaynaklarıdır. Fotovoltaik teknolojisinin gelişmişliği güneş enerjisini Mars görevleri için uygun bir enerji kaynağı haline getirmektedir. Güneş panelleri üzerinde biriken tozdan dolayı zamanla verimliliğin düşmesi büyük bir sorun oluşturmaktadır. Mars atmosferinin düşük yoğunluğu ve düşük rüzgar hızları nedeniyle rüzgar enerjisi, Mars görevleri için uygun olmayan bir enerji kaynağıdır. Mars’a yerleşimin ilk adımlarında jeotermal enerjinin kullanılması pratik olmamakla birlikte jeotermal enerji, yalnızca güç sağlamakla kalmayıp aynı zamanda sıcak su kaynağı da sağlayabilir. Mars’ta yenilenebilir enerji türleri sınırlı bir şekilde kullanılabilir. Radyoizotop Güç Sistemleri’nin yıllar boyunca yakıt ikmali olmadan elektrik ve ısı üretme yeteneği nükleer enerjiyi Mars görevleri için uygun bir enerji kaynağı haline getirmektedir. Özellikle teknolojisi geliştirme aşamasında olan taşınabilir nükleer füzyon reaktörleri (tokamak) uzun gelecekte Mars’ta yaşamın anahtarı olabilir.

Katkı yapanlar: Samiye Meydanoğulları, Mustafa Göktuğ Çolak, Kadir Yolal, Sümeyye Yalındağ Ekici, Dr. Zekeriya Doğruyol

Kaynaklar

1. ↲ Hirt, C.; Claessens, S. J.; Kuhn, M.; Featherstone, W. E. (2012). “Kilometer-resolution gravity field of Mars: MGM2011”. Planetary and Space Science. 67 (1): 147–154.
2. ↲ Artukoğlu, A. (2014). Curıosıty yüzey aracı ile Mars gezegeninin fiziksel özellikleri ve yaşam araştırmaları (Yayın No. 363910) [Yüksek lisans tezi, İstanbul Üniversitesi]. YÖK Tez Merkezi.
3. ↲ Gönülal, D. H., & Altın, M. (2019). Uzay yapılarında yenilenebilir enerji. X. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi / YEKSEM 2019, Antalya, Türkiye, 12 – 14 Aralık 2019, 499-504.
4. ↲ Bailey, J. V. (1975). Radiation protection and instrumentation. Biomedical results of Apollo.
5. ↲ NASA Jet Propulsion Laboratory. (2023, Haziran). https://www.jpl.nasa.gov/images/pia16939-radiation-measurements-during-trip-from-earth-to-mars
6. ↲ Haberle, R. M., Gómez‐Elvira, J., de la Torre Juárez, M., Harri, A. M., Hollingsworth, J. L., Kahanpää, H., … & REMS/MSL Science Teams. (2014). Preliminary interpretation of the REMS pressure data from the first 100 sols of the MSL mission. Journal of Geophysical Research: Planets, 119(3), 440-453.
7. ↲ Millour, E., Forget, F., Spiga, A., Navarro, T., Madeleine, J. B., Montabone, L., … & MCD Team. (2015, Eylül). The Mars climate database (MCD version 5.2). In European Planetary Science Congress (Vol. 10, pp. 2015-2438).
8. ↲ NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS. (2023, Haziran).
9. ↲ Giuranna, M., Wolkenberg, P., Grassi, D., Aronica, A., Aoki, S., Scaccabarozzi, D., … & Formisano, V. (2021). The current weather and climate of Mars: 12 years of atmospheric monitoring by the Planetary Fourier Spectrometer on Mars Express. Icarus, 353, 113406.
10. ↲ Rodriguez-Manfredi, J. A., de la Torre Juarez, M., Sanchez-Lavega, A., Hueso, R., Martinez, G., Lemmon, M. T., … & MEDA team. (2023). The diverse meteorology of Jezero crater over the first 250 sols of Perseverance on Mars. Nature Geoscience, 1-10.
11. ↲ Wang, H., Saidel, M., Richardson, M. I., Toigo, A. D., & Battalio, J. M. (2023). Martian dust storm distribution and annual cycle from Mars daily global map observations. Icarus, 394, 115416.
12. ↲ HASLACH, H. (1989). Wind energy- A resource for a human mission to Mars. British Interplanetary Society, Journal, 42, 171-178.
13. ↲ Fogg, M. J. (1996). The utility of geothermal energy on Mars. Journal of the British Interplanetary Society, 49(11), 403-422.
14. ↲ Delgado-Bonal, A., Martín-Torres, F. J., Vázquez-Martín, S., & Zorzano, M. P. (2016). Solar and wind exergy potentials for Mars. Energy, 102, 550-558.
15. ↲ Martín-Torres, F. J., Zorzano, M. P., Valentín-Serrano, P., Harri, A. M., Genzer, M., Kemppinen, O., … & Vaniman, D. (2015). Transient liquid water and water activity at Gale crater on Mars. Nature Geoscience, 8(5), 357-361.
16. ↲ Liu, Y., Zhang, Y., Xiang, Q., Hao, F., An, Q., & Chen, H. (2023). Comprehensive modeling and parametric analysis of Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator. Applied Thermal Engineering, 219, 119447.
17. ↲ NASA. Radioisotope Power Systems. (2023, Haziran).